Feldspath

Trois pôles purs, auxquels s’ajoute un quatrième plus rare, suffisent à décrire la chimie du groupe. Le feldspath potassique (KAlSi₃O₈) existe sous trois polymorphes, l’orthose, le microcline et la sanidine, qui se distinguent par la façon dont Al et Si sont ordonnés dans les sites tétraédriques. L’albite est NaAlSi₃O₈. L’anorthite est CaAl₂Si₂O₈. Le feldspath barytique celsian, BaAl₂Si₂O₈, est rare mais d’une grande importance minéralogique, car il montre que la charpente accepte aussi le Ba²⁺, bien plus gros. Dans tous ces minéraux, la moitié ou le quart des sites tétraédriques sont occupés par Al plutôt que par Si, et les cavités de la charpente accueillent les cations.

Le système cristallin dépend de la répartition de Al et de Si entre les quatre sites tétraédriques non équivalents. Quand le magma à haute température se refroidit rapidement, la distribution Al/Si reste désordonnée et la structure est monoclinique : c’est la sanidine, le feldspath potassique des rhyolites et des trachytes. Lorsque le refroidissement ralentit, Al migre vers des sites précis, la symétrie s’abaisse au triclinique, et la même chimie s’exprime alors sous la forme du microcline, le feldspath potassique des granites et des pegmatites à refroidissement lent. L’orthose est la forme intermédiaire, partiellement ordonnée, encore monoclinique. Les plagioclases sont toujours tricliniques, car la substitution couplée Na⁺+Si⁴⁺ ↔ Ca²⁺+Al³⁺ impose des positions ordonnées de Al.

La plupart des feldspaths présentent aussi des macles caractéristiques. La macle de Carlsbad, fréquente dans l’orthose, est une macle de rotation autour de l’axe c : deux cristaux sont imbriqués de sorte qu’ils apparaissent, à l’échelle de l’échantillon, comme un prisme unique dont le plan de composition est visible sur toute la longueur. La macle de l’albite produit les fines stries parallèles visibles sur les faces de clivage des plagioclases, critère de terrain qui permet de les distinguer du feldspath potassique. La macle du péricline apparaît sur une autre face. Le nom plagioclase, du grec « fracture oblique », et orthose, « fracture droite », reflète la géométrie du clivage : ces deux espèces se clivent selon deux plans proches de 90°, mais les deux clivages du plagioclase se rencontrent à environ 86° et ceux du feldspath alcalin à un angle proche de 90°, et aucun n’est exactement orthogonal.

À haute pression, la charpente elle-même commence à se transformer. Pakhomova et ses collègues, à l’aide du synchrotron PETRA III du DESY à Hambourg et de l’Advanced Photon Source à Chicago, ont suivi des monocristaux d’albite, d’anorthite et de microcline jusqu’à 27 GPa et ont publié les résultats dans Nature Communications en 2020. En dessous d’environ 10 GPa, la réponse prend la forme d’une inclinaison des tétraèdres ; au-delà, les tétraèdres AlO₄ commencent à se convertir en polyèdres AlO₅ et AlO₆, ce qui produit des polymorphes denses de haute pression, susceptibles de persister à l’état métastable dans la croûte subductée froide.

Compte tenu de l’étendue de la gamme chimique, le groupe est d’une uniformité inhabituelle en dureté et en densité. L’orthose est le minéral de référence de dureté 6 sur l’échelle de Mohs ; les autres espèces se situent entre 6 et 6,5. Les densités augmentent régulièrement à mesure que Ca remplace Na, puis font un bond avec Ba. Deux clivages se rencontrent à près de 90°, l’éclat est vitreux à nacré, et la plupart des espèces sont translucides à transparentes dans les grains sains, mais deviennent d’un blanc crayeux et opaques une fois altérées en argile.

Le feldspath cristallise dans presque toutes les conditions magmatiques et se rééquilibre dans les conditions métamorphiques. Dans un magma basaltique qui se refroidit, un plagioclase calcique apparaît en premier, vers 1 200 °C à basse pression, et le liquide résiduel entraîne la cristallisation de cristaux de plus en plus sodiques, ce qui fonde la série réactionnelle continue de Bowen. Dans un magma granitique, le feldspath alcalin et un plagioclase plus sodique cristallisent ensemble, souvent après la nucléation du quartz. Les proportions de feldspath alcalin, de plagioclase et de quartz constituent les axes du diagramme QAPF utilisé pour nommer les roches plutoniques et volcaniques.

Au cours d’un refroidissement lent, Al et Si migrent vers les sites tétraédriques qu’ils préfèrent, ce qui ordonne la charpente et abaisse la symétrie du monoclinique au triclinique dans les feldspaths potassiques. Les compositions intermédiaires traversent aussi des lacunes de miscibilité dans cette gamme de températures, et un cristal homogène unique se démixe en lamelles alternées de deux compositions légèrement différentes. Dans le feldspath alcalin, cela produit la perthite : de fines gouttelettes d’albite sodique dans un hôte d’orthose ou de microcline potassique. La texture inverse, des gouttelettes potassiques dans du plagioclase, est l’antiperthite. Lorsque les deux phases ont des volumes comparables, on parle de mésoperthite.

Le plagioclase a ses propres lacunes. Dans la lacune de la péristérite, vers An 0–17, une démixtion à très fine échelle produit l’irisation bleue de certaines pierres de lune d’albite-oligoclase. Dans la lacune de Bøggild, vers An 47–58 selon l’approximation des manuels, des lamelles de plagioclase riche en Na (An 44–48) et riche en Ca (An 56–63) alternent à des périodes de 128–252 nanomètres et diffractent la lumière visible. C’est la labradorescence, décrite pour la première fois par le minéralogiste danois Ove Bøggild en 1924, puis précisée par microscopie électronique en transmission et par tomographie à sonde atomique par Jin et Xu en 2017. Une troisième lacune, moins célèbre, celle de Huttenlocher, se situe vers An 67–90.

Comme le feldspath alcalin et le plagioclase qui coexistent dans une même roche se partagent Na, K et Ca en fonction de la température, on peut inverser leurs compositions pour retrouver la température à laquelle ils se sont équilibrés pour la dernière fois. Le modèle de référence est le thermomètre des feldspaths ternaires de Fuhrman et Lindsley, publié dans American Mineralogist en 1988 et mis à jour par Benisek, Dachs et Kroll en 2010. La thermométrie à deux feldspaths donne couramment des températures de 600–1 000 °C pour les roches plutoniques et celles du faciès granulite, et constitue l’un des outils pétrologiques les plus fiables au-dessus du faciès amphibolite.

Deux méthodes de géochronologie reposent sur le feldspath potassique. La datation ⁴⁰Ar/³⁹Ar suit le refroidissement sous environ 150–300 °C. À l’autre extrémité des échelles de temps, la luminescence stimulée par infrarouge (IRSL) du feldspath potassique, mise au point par Hütt et ses collègues en 1988, date la dernière exposition de grains sédimentaires à la lumière solaire, les protocoles post-IR IRSL permettant aujourd’hui de remonter sur plusieurs centaines de milliers d’années, bien au-delà de la limite de saturation de l’OSL du quartz.

Larvik, dans le sud du rift d’Oslo, fournit la larvikite commerciale du monde entier, cette pierre de taille bleu argenté qui habille les tours de banques dans des dizaines de capitales. Les cristaux sont des feldspaths ternaires qui présentent à la fois une démixtion perthitique et de la labradorescence, et l’intrusion de larvikite s’est mise en place dans des gneiss sveconorvégiens lors du rifting permien. L’IUGS a désigné la larvikite « Global Heritage Stone Resource » en décembre 2017, dans la première série de désignations, aux côtés de la pierre de Portland et du marbre de Carrare.

Ylämaa, dans le sud-est de la Finlande, est la localité type de la spectrolite, une variété de labradorite à la gamme de couleurs exceptionnellement étendue. Le gisement a été découvert en 1940 par Pekka Laitakari dans la roche extraite pour les obstacles antichars de la ligne Salpa, et nommé par son père Aarne Laitakari, alors directeur général du Geological Survey of Finland, qui avait décrit des échantillons colorés similaires et en cherchait la source depuis des années. La labradorite doit son nom au Labrador, où des missionnaires moraves l’ont découverte vers 1770 sur l’île Paul, près de Nain ; la côte de Nain fournit encore des pierres bleu profond utilisées en bijouterie, issues de la suite plutonique de Nain, un complexe anorthositique de 1,29–1,35 Ga. Madagascar produit l’essentiel des dalles de labradorite actuellement vendues.

Le batholite de Pikes Peak, dans le Colorado, mis en place il y a 1,08 milliard d’années, renferme des poches pegmatitiques miarolitiques à Crystal Peak, Lake George et Glen Cove, qui ont fourni les plus belles amazonites du monde, la variété vert-bleu du microcline contenant du plomb, généralement associée au quartz fumé. Plush, dans le comté de Lake (Oregon), est la localité type de la pierre de soleil de l’Oregon, une labradorite cuprifère d’une composition voisine de An 70, devenue la gemme officielle de l’État en 1987. Le Tibet et la Mongolie-Intérieure ont produit l’andésine au cœur de la controverse de 2005–2011 sur la diffusion du cuivre : des travaux de laboratoire coordonnés par le GIA, le Gem Research Swisslab et George Rossman au Caltech ont montré que la plupart des « andésines » rouges et rouge-vert arrivées sur le marché avaient été colorées artificiellement par diffusion du cuivre, bien qu’il existe de petites quantités d’andésine naturellement cuprifère.

Sanidine : feldspath potassique désordonné de haute température des rhyolites, des trachytes et de certaines laves trempées. Orthose : forme monoclinique, partiellement ordonnée ; les cristaux roses de la plupart des granites roses sont de l’orthose ou du microcline. Microcline : forme triclinique, entièrement ordonnée, de basse température. Anorthose : située à l’extrémité riche en Na de la série alcaline, souvent de structure triclinique et en cristaux en forme de rhombe, c’est le feldspath caractéristique de la larvikite et du porphyre rhombique.

La convention pétrologique divise la solution solide albite–anorthite en six domaines selon le pourcentage molaire d’anorthite (An) : albite (An 0–10), oligoclase (An 10–30), andésine (An 30–50), labradorite (An 50–70), bytownite (An 70–90) et anorthite (An 90–100). L’IMA Commission on New Minerals, Nomenclature and Classification considère le plagioclase comme une série continue : le jeu de symboles normalisés établi par Warr en 2021 dans Mineralogical Magazine lui attribue le symbole « Pl », avec l’albite, la labradorite et l’anorthite comme repères de composition officiellement listés. Les pétrologues emploient les six noms, car ils permettent de cerner les conditions magmatiques et métamorphiques.

Le celsian (BaAl₂Si₂O₈) se rencontre dans des gisements de manganèse riches en baryum, le plus célèbre étant celui de Jakobsberg, en Suède. L’hyalophane en est le terme intermédiaire contenant des alcalins. Ces minéraux sont rares, mais constituent de précieux traceurs des systèmes hydrothermaux riches en Ba.

• Pierre de lune : orthose ou sanidine contenant une fine association cryptoperthitique d’albite, qui produit le reflet flottant, bleu ou blanc, appelé adularescence. Le Sri Lanka et le sud de l’Inde en sont les sources historiques.

• Pierre de soleil : feldspath renfermant des inclusions en plaquettes réfléchissantes (hématite, cuivre ou goethite), qui produisent l’aventurescence ; la pierre de soleil de l’Oregon doit ses couleurs rouge et verte à des nanoplaquettes de cuivre natif, comme l’ont confirmé Wang et ses collègues dans American Mineralogist en 2025 à l’aide d’une modélisation de la résonance plasmonique de surface localisée.

• Amazonite : microcline bleu-vert, coloré par un mécanisme de transfert de charge d’intervalence faisant intervenir Pb²⁺ et OH⁻/H₂O liés structuralement dans la charpente du feldspath ; Pikes Peak et le district de Konso, en Éthiopie, en sont les principales sources.

• Labradorite et spectrolite : plagioclase à labradorescence issu de la lacune de Bøggild.

Le feldspath industriel est expédié en deux qualités. La plus grossière, d’environ 20 mesh, va aux verriers, auxquels elle fournit l’alumine qui durcit le verre en fusion et améliore sa durabilité chimique. La qualité plus fine, de 200 mesh ou moins, va aux céramistes, chez qui elle joue le rôle de fondant : elle abaisse la température de vitrification des pâtes de porcelaine et de carrelage et lie la matrice de silice et d’argile en une phase vitreuse à la cuisson. D’après le Mineral Commodity Summary 2024 de l’U.S. Geological Survey, la production américaine de feldspath en 2023 était évaluée à 60 millions de dollars, extraite par six entreprises en Californie, dans l’Idaho, en Caroline du Nord et en Virginie. Selon les estimations, la verrerie représentait 60 % de la répartition des utilisations finales sur le marché intérieur en 2023, et la céramique l’essentiel du reste ; des chiffres plus récents de l’USGS montrent que les deux usages finaux tendent vers la parité, la céramique dépassant le verre en 2025. La Turquie, l’Italie, l’Inde et la Chine dominent la production mondiale.

Le feldspath constitue aussi l’essentiel de la Lune. Les hautes terres lunaires sont dominées par l’anorthosite ferrifère, une roche composée à plus de 90 % de plagioclase calcique. Wood, Dickey, Marvin et Powell ont soutenu en 1970 que cette croûte s’était formée par flottation de plagioclase moins dense sur un océan de magma global. La cartographie spectroscopique de SELENE/Kaguya, présentée par Ohtake et ses collègues dans Nature en 2009, a révélé que certaines surfaces des hautes terres sont constituées pratiquement à 100 % de plagioclase, ce qui renforce considérablement la contrainte du modèle de l’océan de magma. L’échantillon d’anorthosite 60025, rapporté par Apollo 16, a été daté à 4,367 ± 0,011 Ga par Borg et ses collègues en 2011, à l’aide de chronomètres Sm-Nd et Pb-Pb concordants. Michaut et Neufeld ont réexaminé le modèle de flottation dans Geophysical Research Letters en 2022, plaidant pour un océan de magma pâteux et de longue durée de vie plutôt que pour une seule couche liquide éphémère.

L’anorthite figure également dans les recherches actuelles sur l’atténuation du changement climatique. Parmi les silicates proposés pour l’altération renforcée des roches, l’anorthite a l’un des taux de dissolution les plus élevés dans les conditions proches de la surface, et des expériences de laboratoire en colonnes publiées dans Frontiers in Climate en 2022 ont montré que l’anorthite et l’albite libéraient assez de Ca et de Na pour consommer des quantités mesurables de CO₂, sans le problème de lixiviation du nickel que pose l’olivine. La viabilité économique d’un passage à grande échelle des poudres de roche riches en feldspath reste incertaine.

La signature habituelle du feldspath sur le terrain tient en deux clivages proches de 90°, une dureté juste supérieure à celle d’un couteau en acier, un éclat vitreux et une couleur claire, le plus souvent blanche, rose, grise ou beige. Pour distinguer le feldspath alcalin du plagioclase à l’échelle de l’échantillon, cherchez d’abord de fines stries parallèles sur la face de clivage la plus brillante : ce sont les lamelles de macle selon la loi de l’albite, diagnostiques du plagioclase. Les teintes rose à saumon signalent en général un feldspath alcalin ; les surfaces d’un blanc crayeux à gris, striées, signalent un plagioclase. En lame mince entre nicols croisés, le microcline présente souvent un motif de quadrillage « tartan », expression simultanée des lois de macle de l’albite et du péricline, assez caractéristique pour permettre une identification au premier coup d’œil.

Un feldspath altéré est à lui seul un indice. Comme le feldspath formé à haute température est instable dans les conditions de surface, les grains exposés se transforment en minéraux argileux : en kaolinite pour le feldspath potassique et le plagioclase pauvre en Ca, en smectite ou en séricite pour le plagioclase plus calcique. L’aspect crayeux d’une face de granite altérée correspond à du feldspath à mi-chemin de cette transformation, et c’est pourquoi le feldspath constitue, après le quartz, la deuxième population de grains détritiques des grès par ordre d’importance.

La géométrie de la croûte de flottation de l’océan de magma lunaire n’est pas résolue. L’anorthosite pure (plus de 98 % de plagioclase) est difficile à former dans les modèles classiques de cristallisation fractionnée : le liquide résiduel doit conserver une viscosité suffisamment faible pour que le plagioclase se sépare proprement. Des travaux récents de Michaut et Neufeld en 2022 et de Dygert et ses collègues plaident pour un océan de magma stratifié et pâteux, et pour un « magmatisme en série » dans lequel des diapirs de plagioclase de la croûte inférieure s’injectent dans une croûte plus ancienne et mélangée. Les échantillons de la face cachée de la Lune rapportés par Chang’e-6 en 2024 devraient permettre de tester cela directement.

La cinétique d’exsolution dans les intercroissances de Bøggild et de la péristérite fait elle aussi encore l’objet de recherches. La largeur de la fenêtre de composition à labradorescence, les trajets de diffusion exacts pendant l’exsolution et les raisons pour lesquelles certains échantillons de la bonne composition ne développent pas d’irisation sont démêlés au moyen de la tomographie à sonde atomique et de la diffraction par rayonnement synchrotron (Jin & Xu 2017 ; European Journal of Mineralogy review 2022).

Une question plus appliquée est de savoir si la poussière de roche riche en feldspath peut être déployée à l’échelle de la gigatonne comme outil d’élimination du dioxyde de carbone. L’anorthite s’altère vite à l’échelle des temps minéralogiques, mais la question de savoir si le coût par tonne de CO₂ séquestré est compétitif face à la capture directe dans l’air, et si les effets secondaires sur la chimie des sols sont acceptables, reste ouverte. L’analyse de CarbonPlan de 2023 a constaté que les mesures de terrain des flux d’altération renforcée restent en deçà des taux optimistes obtenus en laboratoire, parfois d’un facteur dix.